DE69722994T2

DE69722994T2 - Optical fiber gyroscope

Info

Publication number: DE69722994T2
Application number: DE69722994T
Authority: DE
Inventors: Steven R. Emge; Sidney M. Bennett
Original assignee: KVH Industries Inc
Current assignee: KVH Industries Inc
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2017-04-09
Also published as: DE69722994D1; EP0802397A1; EP0802397B1

Description

Bereich der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft Gyroskope. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf Gyroskope und deren Signalverarbeitungselektronik.The present invention relates to Gyroscopes. In particular, the invention relates to gyroscopes and their signal processing electronics.

Hintergrundbackground

Bei dem interferometrischen faseroptischen Gyroskop (interferometric fiber optic gyroscope = IFOG) handelt es sich um eine bewährte Technologie zur genauen Messung von Winkeldrehbewegungen. Weil das IFOG einen optischen Aufbau mit fester Beschaffenheit ohne bewegliche Teile darstellt, kann es für langlebige Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit wie z. B. Landfahrzeugnavigation verwendet werden.With the interferometric fiber optic gyroscope (interferometric fiber optic gyroscope = IFOG) a proven one Technology for the precise measurement of angular rotary movements. Because that IFOG is an optical structure with a fixed structure without any moving Represents parts, it can for durable applications with high reliability such as B. Land vehicle navigation be used.

Die Anforderungen an ein Gyroskop, das für die Verwendung in Landnavigationssystemen mit gekoppeltem Koppelnavigations-(dead-reckoning = DR) und GPS-(Global Positioning System) Eingang bestimmt ist, werden mehr von Kosten- als von Leistungsbetrachtungen bestimmt. Der Kreisel wird als Lückenfüller für jene Systeme verwendet, bei denen ein Ausfall nicht zulässig ist. Die GPS Daten können dann periodisch dazu verwendet werden, die Koppelnavigations-Sensoren zu korrigieren, was die Anforderungen an jeden von ihnen herabsetzt. Die Kosten von dieser Art von Landnavigationssystemen hängt stark von den Kosten für das eingesetzte Gyroskop ab. Obwohl sich das IFOG wegen seines breiten Leistungsbereiches gut für Anwendungen wie z. B. Landnavigation eignet, ist eine weitere Kostensenkung in der optischen Konfiguration und der elektronischen Signalverarbeitung des Gyroskops erforderlich, um diese Technik für viele Systeme, wie z. B. Landnavigationssysteme, wirtschaftlich einsetzbar zu machen.The requirements for a gyroscope, that for the Use in land navigation systems with coupled dead reckoning = DR) and GPS (Global Positioning System) input is determined, are determined more by cost considerations than by performance considerations. The gyroscope is used as a gap filler for those systems used where a failure is not permitted. The GPS data can then periodically used the dead reckoning sensors correct what lowers the demands on each of them. The cost of this type of land navigation system depends heavily from the cost of the gyroscope used. Although the IFOG because of its wide range of services good for Applications such as B. Land navigation is a further cost reduction in optical configuration and electronic signal processing of the gyroscope is required to use this technique for many systems, such as B. land navigation systems, to make it economically viable.

Das grundlegende Funktionsprinzip hinter dem IFOG ist der Sagnac-Effekt. Bei diesem Effekt erfahren zwei sich gegeneinander ausbreitende Wellen, die ein Schleifeninterferometer durchlaufen, eine Phasendifferenz, wenn die Schleife um ihre Achse rotiert wird. Das IFOG verwendet faseroptische Komponenten, um das Sagnac-Interferometer zu bilden. Die genaue Messung von der durch die Rotation verursachten Sagnac-Phasendifferenz erfordert, dass die parasitären Phasendifferenzen, die sich mit der Umgebung verändern können, unterdrückt werden. Aus diesem Grund wird das Prinzip der optischen Reziprozität verwendet, um Teile der gegeneinander laufenden Wellen, die das Interferometer entlang eines gemeinsamen Pfades durchlaufen, auszuwählen. Veränderungen des Systems durch die Umgebung verändern die Phasen beider Wellen gleichmäßig und es ergibt sich kein Unterschied in der Phasenverzögerung; der Sensor ist gegenüber Umgebungseinflüssen stabil. Die Anwendung der optischen Reziprozität in der IFOG-Architektur führt zu dem, was allgemein als "Minimalkonfiguration" bezeichnet wird.The basic principle of operation behind the IFOG is the Sagnac effect. Experience with this effect two waves propagating against each other that form a loop interferometer go through a phase difference when the loop rotates about its axis becomes. The IFOG uses fiber optic components to make the Sagnac interferometer to build. The exact measurement of that caused by the rotation Sagnac phase difference requires the parasitic Phase differences that can change with the environment are suppressed. Out for this reason the principle of optical reciprocity is used, around parts of the opposing waves that the interferometer walk along a common path. changes of the system through the environment change the phases of both waves evenly and there is no difference in the phase delay; the sensor is opposite environmental influences stable. The application of optical reciprocity in the IFOG architecture leads to what is commonly referred to as "minimal configuration".

In dem IFOG mit Minimalkonfiguration (minimum configuration = MC) wird das Licht von der Quelle ausgegeben, durchläuft den ersten Koppler, in dem die Hälfte des Lichts abgeleitet wird und die Hälfte durch den Polarisator in das Interferometer gesendet wird. Ein zweiter Koppler spaltet das Licht auf in zwei sich gegeneinander ausbreitende Strahlen mit näherungsweise gleicher Intensität, die die Windung durchlaufen. Anschließend rekombinieren die beiden Lichtstrahlen bei dem zweiten Koppler, wo sie interferieren. Dieser vereinigte Lichtstrahl durchläuft dann den Polarisator ein zweites Mal in der entgegengesetzten Richtung, und die Hälfte des Lichts wird vom ersten Koppler zum Detektor geleitet. Der erste Koppler ist kein Bestandteil des optischen reziproken Sagnac-Interferometers. Sein einziger Zweck ist es, einen Teil des zurückkehrenden Lichtes in einen Detektor zu lenken und die direkte Kopplung von Lichtenergie von der Quelle zum Detektor zu minimieren. Um die auf den Detektor fallende optische Leistung zu maximieren, beträgt das optimale Aufspaltungsverhältnis dieses Kopplers 3 dB. Dies führt zu einem inhärenten Systemverlust von 6 dB, da dieser Koppler zweimal durchlaufen wird. Er ist unabhängig von der Einfügungsdämpfung des Kopplers.In the IFOG with minimal configuration (minimum configuration = MC) the light is emitted from the source, goes through the first coupler, in which half of the light is diverted and half through the polarizer is sent into the interferometer. A second coupler splits the light on in two beams that spread against each other approximately same intensity, that go through the turn. Then the two recombine Beams of light at the second coupler where they interfere. This united light beam then passes through the polarizer a second time in the opposite direction, and half of light is directed from the first coupler to the detector. The first Coupler is not part of the optical reciprocal Sagnac interferometer. Its only purpose is to convert part of the returning light into one Steer detector and direct coupling of light energy from to minimize the source to the detector. To the one falling on the detector To maximize optical performance, the optimal split ratio is this Coupler 3 dB. This leads to one inherent System loss of 6 dB because this coupler is run through twice. He is independent from the insertion loss of the Coupler.

Um die Komplexität der optischen Konfiguration und Kosten zu reduzieren und dennoch das Prinzip der Reziprozität zu erhalten, wird eine "Reduzierte Minimalkonfiguration" verwendet. Bei dem IFOG mit reduzierter Minimalkonfiguration (reduced minimum configuration = RMC) ist der erste Koppler entfernt und der Ausgang des Interferometers wird durch einen an der Rückfläche der Lichtquelle positionierten Detektor ausgelesen. Das Licht durchläuft den Hohlraum der Quelle, bevor es vom Detektor empfangen wird. Das RMC-Kreiselinstrument erhält das Prinzip der optischen Reziprozität, da das Licht immer noch einen gemeinsamen optischen Pfad durchläuft. Der inhärente systembedingte Verlust von 6 dB des ersten Kopplers ist beseitigt. Ebenso kann die Quelle, abhängig vom Typ der gewählten Lichtquelle und dem Betriebsbereich des Treiberstroms, als optischer Verstärker für das zurückkommende Licht fungieren. Deshalb ist das Signal-Rauschverhältnis der Ausführung des RMC-Gyroskopes so gut wie das des herkömmlichen MC-Gyroskopes und kann potentiell besser sein. Viele Gehäuse von Niedrigpreis-Laserdioden enthalten einen Rückflächen-Photodetektor. Folglich wird der Detektor vom Hersteller der Laserdiode bereitgestellt und die Kosten für die Beschaffung eines eigenen Detektors sind bei diesem Aufbau beseitigt. Ebenso erübrigt sich die Ausstattung und das Labor, das benötigt wird, um die Ausgangsfaser des ersten Kopplers auf einen separaten Detektor zu justieren. Der Detektor ist vom Hersteller der Laserdiode an der Rückfläche angeordnet. Wenn die Eingangsanschlussfaser auf die optische Quelle ausgerichtet wird, wird der Ausgang mit der selben Tätigkeit automatisch auf den Detektor ausgerichtet. Die RMC beseitigt ebenso zwei Faser-an-Faser Verbindungs-Spleiße und reduziert dabei weiter die Kosten für die optische Montage.In order to reduce the complexity of the optical configuration and costs and still maintain the principle of reciprocity, a "reduced minimum configuration" is used. In the IFOG with reduced minimum configuration (RMC), the first coupler is removed and the output of the interferometer is read out by a detector positioned on the rear surface of the light source. The light passes through the source cavity before being received by the detector. The RMC gyroscope maintains the principle of optical reciprocity because the light still travels through a common optical path. The inherent system-related loss of 6 dB of the first coupler has been eliminated. Likewise, depending on the type of light source selected and the operating range of the driver current, the source can act as an optical amplifier for the returning light. Therefore, the signal-to-noise ratio of the RMC gyroscope design is as good as that of the conventional MC gyroscope and can potentially be better. Many low-cost laser diode packages contain a back surface photodetector. As a result, the detector is provided by the manufacturer of the laser diode, and the cost of purchasing a separate detector is eliminated with this construction. There is also no need for the equipment and the laboratory required to adjust the output fiber of the first coupler to a separate detector. The detector is arranged on the rear surface by the manufacturer of the laser diode. If the input port fiber is on the optical Source is aligned, the output is automatically aligned with the detector with the same activity. The RMC also eliminates two fiber-to-fiber splices, further reducing optical assembly costs.

In beiden Arten von IFOGs wird ein piezoelektrischer Wandler (piezo-electric transducer = PZT) verwendet, um die Phasendifferenz zwischen den zwei gegenläufigen Lichtstrahlen zu modulieren. Diese Phasenmodulation dient zwei Zwecken. Einer ist es, das Interferometer auf einen empfindlicheren Arbeitspunkt zu verschieben oder voreinzustellen. Der andere ist es, das erfasste Signal von DC nach AC umzusetzen, um die Genauigkeit der elektrischen Signalverarbeitung zu verbessern. Bei sinusförmiger Phasenmodulation besteht das Ausgangssignal des Interferometers aus einer Endlosfolge von Sinus- und Kosinuswellen, deren Amplituden über eine Bessel-Funktionen zueinander in Beziehung stehen. Das Grundsignal (engl.: fundamental signal) liegt bei der angelegten Modulationsfrequenz mit nachfolgenden ungeraden und geraden harmonischen Signalen. Viele Ansätze zur Signalverarbeitung, die das Verhältnis der Amplituden der ersten vier harmonischen Signale verwenden, sind vorgeschlagen worden, um die Drehgeschwindigkeit zu erfassen und gleichzeitig einen stabilen, linearen Ausgangsskalenfaktor zu erhalten. Die Implementierung dieser Ansätze in analoger und/oder digitaler Elektronikhardware ist jedoch komplex und teuer. Ebenso ist die Verwendung der Lichtquelle sowohl als Lichtsender als auch als Verstärker nicht ohne Probleme. Eine Verzerrung des Interferometersignals kann infolge des Durchlaufens der Lichtquelle vor der Detektion und infolge von Bandbreitenbegrenzungen der Rückfläche des Photodetektors auftreten. Die Amplituden der harmonische Signale können verändert werden, was zu einem gemessenen Fehler des Ausgangsrotationsskalenfaktors führt, wenn der Aufbau des RMC-Gyroskopes mit den herkömmlichen Signalverarbeitungsverfahren für Oberwellenverhältnisse verwendet wird. Dies ist ein signifikantes Hindernis bei multiharmonischen Verarbeitungsmethoden. Deshalb ist eine wesentlich einfachere Auslegung der Signalverarbeitung, die nicht von einem Fehler in den relativen Amplituden der harmonischen Signale beeinflusst wird, wünschenswert.In both types of IFOGs there is a piezoelectric transducer (PZT) used, to modulate the phase difference between the two opposing light beams. This phase modulation serves two purposes. One is the interferometer move to a more sensitive working point or preset. The other is to convert the captured signal from DC to AC, to improve the accuracy of electrical signal processing. With sinusoidal phase modulation the interferometer output signal consists of an endless sequence of sine and cosine waves, their amplitudes via a Bessel functions are related to each other. The basic signal (English: fundamental signal) is at the applied modulation frequency with subsequent odd ones and straight harmonic signals. Many approaches to signal processing, the the relationship using the amplitudes of the first four harmonic signals has been proposed to detect the rotational speed and to get a stable, linear output scale factor at the same time. The implementation of these approaches in analog and / or digital electronics hardware, however, is complex and expensive. Likewise, the use of the light source is both as Light transmitter as well as an amplifier not without problems. Distortion of the interferometer signal can as a result of passing the light source before detection and as a result of bandwidth limitations of the back surface of the photodetector occur. The amplitudes of the harmonic signals can be changed, resulting in a measured error of the output rotation scale factor leads if the construction of the RMC gyroscope with the conventional signal processing methods for harmonic conditions is used. This is a significant obstacle to multiharmonic Processing methods. Therefore, it is a much simpler interpretation of signal processing that is not an error in the relative Amplitudes of the harmonic signals are influenced, desirable.

Der Skalenfaktor (d. h. die gemessene Ausgaberate gegen die angelegte Eingangsrate) verläuft infolge der intrinsischen Linearität des Sagnac-Effekts für den verwendeten Bereich der Drehgeschwindigkeit linear und für größere Geschwindigkeiten sinusförmig. Das schwierigere Problem ist jedoch die Aufrechterhaltung eines konstanten Skalenfaktors bei Veränderungen der Umgebung (d. h. Temperatur, Vibration, etc.) und während der Lebenszeit des Sensors. EP 0 551 874 A2 offenbart einen faseroptischen Kreisel mit einem Licht aussendenden Halbleiterelement von der Bauart, die vorwärts und rückwärts gerichtete Lichtstrahlen aussendet. Der Ausgang eines Photodetektors wird synchron von einem modulierten Signal detektiert und detektiert dabei eine Winkelgeschwindigkeit, die an die optische Faserwindung angelegt wird. Ein Gleichanteil des elektrischen Photodetektorsignals wird von einem Lichtmengenstabilisator als Regelsignal dazu verwendet, die Lichtleistung des vorwärts gerichteten Lichtstrahls konstant zu halten. Der Gleichanteil des Photodetektorsignals hängt ab von Veränderungen bei der Faserankopplung und von temperaturabhängigen Änderungen beim Laserwirkungsgrad und ist deshalb für die Aufrechterhaltung eines konstanten Skalierfaktors nicht verwendbar. Weiterhin erlaubt die Verwendung des Gleichanteils des von der Rückfläche ausgesandten Lichtes nicht die Korrektur von Änderungen der Einfügungsdämpfung des kreiseloptischen Schaltkreises, von der ebenso bekannt ist, dass sie sich mit der Temperatur in einem Ausmaß ändert, dass sich ein signifikanter Fehler im Skalenfaktor ergäbe. Ebenso sind Gleichsignalverstärker offenkundig instabil mit der Temperatur.Due to the intrinsic linearity of the Sagnac effect, the scale factor (ie the measured output rate versus the applied input rate) is linear for the range of rotational speed used and sinusoidal for higher speeds. The more difficult problem, however, is maintaining a constant scale factor with changes in the environment (ie temperature, vibration, etc.) and throughout the life of the sensor. EP 0 551 874 A2 discloses a fiber optic gyroscope having a light emitting semiconductor element of the type that emits forward and backward light beams. The output of a photodetector is detected synchronously by a modulated signal and thereby detects an angular velocity that is applied to the optical fiber turn. A direct component of the electrical photodetector signal is used by a light quantity stabilizer as a control signal to keep the light output of the forward-directed light beam constant. The direct component of the photodetector signal depends on changes in the fiber coupling and on temperature-dependent changes in the laser efficiency and can therefore not be used to maintain a constant scaling factor. Furthermore, the use of the DC component of the light emitted from the back surface does not allow the correction of changes in the insertion loss of the gyro optical circuit, which is also known to change with temperature to an extent that would result in a significant error in the scale factor. DC amplifiers are also obviously unstable with temperature.

Die US 4,776,700 beschreibt einen faseroptisches Gyroskop mit verbessertem Aussteuerungsbereich und verbesserter Stabilität des Skalenfaktors, das Mittel zur Demodulation des erfassten Ausgangs des Gyroskopes umfasst, um erste und zweite Spannungspegel entsrechende proportional zu den Sinus- und Kosinuskomponenten von diesem erfassten Ausgang abzugeben. Diese ersten und zweiten Spannungspegel werden je weils zwischen einer Rückkopplungsschaltung, die den Ansteuerungspegel stabilisiert, umgeschaltet.The US 4,776,700 describes a fiber optic gyroscope with improved modulation range and improved stability of the scale factor, which comprises means for demodulating the detected output of the gyroscope in order to output first and second voltage levels in proportion to the sine and cosine components of this detected output. These first and second voltage levels are each switched between a feedback circuit that stabilizes the drive level.

Die EP 0 586 242 A1 offenbart ein Phasenmodulations-Gyroskop. Ein APC (= automatic power controller) Schaltkreis steuert ein lichtaussendendes Gerät an, um Lichtstrahlen durch die Bereitstellung eines passenden Stromes auszusenden. Eine Überwachungsphotodiode überwacht die Lichtleistung, die nach rückwärts von der Lichtquelle ausgesendet wird. Der Ausgang der Überwachungs-Photodiode ist über einen Widerstand mit dem APC-Schaltkreis zur Regelung des Steuerstromes der Lichtquelle verbunden.The EP 0 586 242 A1 discloses a phase modulation gyroscope. An APC (= automatic power controller) circuit controls a light-emitting device in order to emit light beams by providing a suitable current. A monitoring photodiode monitors the light output that is emitted backwards by the light source. The output of the monitoring photodiode is connected via a resistor to the APC circuit for regulating the control current of the light source.

Die US 4,842,409 beschreibt eine Ringinterferometereinheit mit einer optischen Einmodenfaser, einem Strahlungsteiler und einem Modenfilter, der optisch an eine kohärente Lichtquelle gekoppelt ist. Die Quelle kann eine Halbleiterdiode von der Bauart sein, die abhängig von der Vorspannung alternativ als Lichtsender und Empfänger arbeitet. Alternativ kann die Quelle eine Licht aussendende Halbleiterdiode sein, die mit ihrer Frontfläche an den Modenfilter und mit ihrer Rückfläche an einen Detektor gekoppelt ist, wobei die genannte Diode als Lichtverstärker arbeitet.The US 4,842,409 describes a ring interferometer unit with an optical single-mode fiber, a radiation splitter and a mode filter, which is optically coupled to a coherent light source. The source can be a semiconductor diode of the type that alternatively works as a light transmitter and receiver depending on the bias. Alternatively, the source can be a light-emitting semiconductor diode which is coupled with its front surface to the mode filter and with its rear surface to a detector, the said diode functioning as a light amplifier.

Die DE 37 42 201 A1 offenbart einen Detektor, der an der Rückfläche eines Halbleiterlasers oder einer Superluministenzdiode angebracht ist. Das Ausgangssignal des Detektors ist ein Gleichsignal mit einem überlagerten Wechselsignal, das die Modulationsfrequenz f_mod und dessen Harmonische n × f_mod enthält. Die zwei Teile des Signals werden durch den Filter voneinander getrennt. Das Gleichsignal wird an eine Steuerungselektronik geleitet, die die Leistung der Lichtquelle steuert, wobei die Steuerungselektronik die Leistung der Lichtquelle durch den Bias-Strom stabilisiert.The DE 37 42 201 A1 discloses a detector attached to the back surface of a semiconductor laser or a superluminance diode. The output signal of the detector is a direct signal with a superimposed alternating signal, which the Mo Dulation frequency f _mod and its harmonic n × f _mod contains. The filter separates the two parts of the signal. The DC signal is sent to control electronics that control the power of the light source, the control electronics stabilizing the power of the light source through the bias current.

Die US 4,848,910 offenbart ein faseroptisches Interferometersystem mit einer optischen Baugruppe und einer elektronischen Baugruppe, die die Phasenmodulation und die Amplitudenmodulation bereitstellt. Die Baugruppe umfasst einen Modulator zur Modulation der optischen Leistung der Laserdiode und einen Frequenzgenerator. Der Leistungsmodulator wird durch eine Rückkopplungsschleife, die den an die Rückseite der Laserdiode gekoppelten Photodetektor umfaßt, stabilisiert. Der Photodetektor liefert ein Signal, das proportional zu der Lichtleistung ist, die er von der Laserdiode entweder direkt, oder nachdem es um den Interferometerring herumgelaufen und durch die Laserdiode zurückgekommen ist, erhält. Dieses Signal weist eine Hauptkomponente bei der Frequenz fl auf, bei der die Lichtleistung, die von der Diode ausgesendet wird, moduliert wird, und eine Komponente mit einer sehr viel niedrigeren Amplitude, die von den Schwebungen zwischen den zwei gegeneinander laufenden Lichtstrahlen kommt, die beide in Amplitude und in Phase moduliert sind und die auf dem Rückweg vom Interferometerring durch die Laserdiode zurückgelaufen sind.The US 4,848,910 discloses a fiber optic interferometer system having an optical assembly and an electronic assembly that provides phase modulation and amplitude modulation. The assembly includes a modulator for modulating the optical power of the laser diode and a frequency generator. The power modulator is stabilized by a feedback loop that includes the photodetector coupled to the back of the laser diode. The photodetector provides a signal that is proportional to the light output that it receives from the laser diode either directly or after it has traveled around the interferometer ring and returned through the laser diode. This signal has a main component at the frequency fl, at which the light power emitted by the diode is modulated, and a component with a much lower amplitude, which comes from the beats between the two opposing light beams, both of which are modulated in amplitude and in phase and which have returned on the way back from the interferometer ring through the laser diode.

Zusammenfassung der ErfindungSummary the invention

Es ist ein Gegenstand der vorliegender Erfindung, ein IFOG-Signalverarbeitungssystem bereitzustellen, das sowohl für die Ausführung der MC- als auch der RMC-Gyroskope gut arbeitet.It is an object of the present Invention to provide an IFOG signal processing system that as well as execution the MC and RMC gyroscopes work well.

Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein IFOG-Signalverarbeitungssystem bereitzustellen, das einfach und preiswert herzustellen ist.It is another subject of the present invention to provide an IFOG signal processing system that is easy and inexpensive to manufacture.

Es ist noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein IFOG-System bereitzustellen, das die Drehgeschwindigkeit der Sensorwindung genau bestimmt.It is another subject of the present invention to provide an IFOG system that exactly determines the speed of rotation of the sensor winding.

Es ist auch noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung, ein IFOG-System bereitzustellen, das während umgebungsbedingter Änderungen einen konstanten Skalenfaktor beibehält.It is also another subject of the Invention to provide an IFOG system that during environmental changes maintains a constant scale factor.

Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, ein IFOG-System mit vereinfachter Signalverarbeitungselektronik bereitzustellen, das unwesentliche optische Komponenten und Spleiße beseitigt.It is another subject of the Invention, an IFOG system with simplified signal processing electronics to provide that eliminates nonessential optical components and splices.

Die vorangehenden Gegenstände werden durch ein verbessertes IFOG-System bereitgestellt, das Kreiselmittel für den Empfang eines Lichtstrahls umfaßt, die den genannten Lichtstrahl in zwei Teile spalten und die ein Kreiselsignal erzeugen, Modulatormittel zur Modulation von Phasendifferenzen der genannten Lichtteile in den genannten Kreiselmitteln, Mittel zur Abstimmung der Tiefe der Phasenmodulation der genannten Modulatormittel und Mittel zur Erhaltung einer konstanten Ausgabe eines Erfassungsmittels.The previous items are through provided an improved IFOG system, the gyro means for reception of a light beam, which split the light beam into two parts and the one Generate gyro signal, modulator means for modulating phase differences of the light parts mentioned in the said gyro means, means to adjust the depth of the phase modulation of the modulator means mentioned and means for maintaining a constant output of a detection means.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

1 ist eine schematische Darstellung, die ein IFOG-System in Übereinstimmung mit Prinzipien der gegenwärtigen Erfindung zeigt; 1 Fig. 4 is a schematic diagram showing an IFOG system in accordance with principles of the present invention;

2 ist eine schematische Darstellung, die ein IFOG-System in Übereinstimmung mit Prinzipien der gegenwärtigen Erfindung zeigt; 2 Fig. 4 is a schematic diagram showing an IFOG system in accordance with principles of the present invention;

3(a) ist eine Kurve mit Leistungsdaten in Form einer Allan-Varianzanalyse für ein IFOG-System mit Minimalkonfiguration der gegenwärtigen Erfindung; 3 (a) Figure 11 is a graph of performance data in the form of an Allan analysis of variance for a minimal configuration IFOG system of the present invention;

3(b)ist eine Kurve mit Leistungsdaten in Form der Temperaturempfindlichkeit der Vorspannung (engl.: bias temperature sensitivity) für ein IFOG mit Minimalkonfiguration der vorliegenden Erfindung; 3 (b) Fig. 3 is a curve with performance data in terms of bias temperature sensitivity for a minimally configured IFOG of the present invention;

4(a)ist eine Darstellung mit Leistungsdaten in Form einer Allan-Varianzanalyse für ein IFOG-System mit reduzierter Minimalkonfiguration der gegenwärtigen Erfindung; 4 (a) Fig. 4 is an Allan analysis of performance data for an IFOG system with reduced minimum configuration of the present invention;

4(b) ist eine Darstellung von Leistungsdaten in der Form von Temperaturabhängigkeit der [bias: Vorspannung, des Ruhestroms, des Steuerstromes, Meßfehler?] der IFOG mit reduzierter Minimalkonfiguration der gegenwärtigen Erfindung; und 4 (b) Fig. 4 is a representation of performance data in the form of temperature dependence of the IFOG with reduced minimum configuration of the present invention, in bias; bias current, quiescent current, control current, measurement error? and

Tabelle 1 ist eine Tabelle mit Leistungsdaten der Systemleitung von Gyroskopen mit Minimalkonfiguration und reduzierter Minimalkonfiguration der vorliegenden Erfindung.Table 1 is a table with performance data of the System management of gyroscopes with minimal configuration and reduced Minimal configuration of the present invention.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformdetailed Description of the preferred embodiment

Während die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Ausgestaltungen geeignet ist, wurden besondere Ausführungsformen davon anhand eines Beispiels in den Zeichnungen gezeigt und werden hierin im Detail beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, dass es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die speziell eröffneten Ausgestaltungen zu beschränken, sondern im Gegenteil ist es die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die unter den Gedanken und den Anwendungsbereich der Erfindung wie unten definiert fallen, mit einzuschließen.While the invention for various modifications and alternative configurations are suitable special embodiments thereof are shown and are shown in the drawings using an example described in detail herein. However, it should be understood that the invention is not intended to be specifically disclosed Restrict configurations, on the contrary, it is the intention of all modifications, equivalents and alternatives that are under the thought and scope of the invention as defined below.

Ein verbessertes IFOG-System der vorliegenden Erfindung ist unten beschrieben und in 1 dargestellt. Die Lichtquelle 1 sendet Licht aus, das von Polarisator 2 polarisiert wird. Das Licht wird durch einen zweiten Koppler 3 in zwei einander entgegenlaufende Strahlen gleicher Intensität aufgespalten, die die Messspule 4 durchlaufen und sich dann am zweiten Koppler 3 überlagern und interferieren. Der neu überlagerte Lichtstrahl durchläuft dann den Hohlraum der Quelle 1 und wird vom Detektor 5 empfangen. Detektor 5 ist ein Photodetektor und ein Transimpedanzverstärker mit Licht als Eingang und Spannung als Ausgang. Der Ausgang von Detektor 5 wird durch Verstärker 6 geleitet, der das Ausgangssignal des Sensors auf einen nachweisbaren Pegel vergrößert. Die gesamte elektrische Verstärkung beträgt in dieser Ausführungsform etwa 1 Million. Der Ausgang des Verstärkers ist an Demodulator 7 gelegt. Demodulator 7 ist ein phasenempfindlicher Detektor, der ein Signal von Oszillator 8 empfängt. Wenn die Phasen und Frequenzen von den zwei Signalen, die in den Demodulator 7 eintreten, gleich sind, befindet sich der Ausgang in einem Maximum, wenn sie verschieden sind, wird der Ausgang vermindert. Oszillator 8 und PZT-Phasenmodulator 9, wie unten ausführlicher beschrieben wird, erhalten die Interferometertiefe der Phasenmodulation (engl.: interferometer depth of phase modulation). LD-Treiber 10, wie unten genauer beschrieben wird, ist ein Hochpassfilter und Gleichrichter, der die Intensität des Lichtquellenstroms regelt.An improved IFOG system of the present invention is described below and in 1 shown. The light source 1 emits light from the polarizer 2 is polarized. The light is through a second coupler 3 split into two opposing beams of the same intensity, the measuring coil 4 go through and then at the second coupler 3 overlay and interfere. The newly superimposed light beam then runs through the cavity of the source 1 and is used by the detector 5 receive. detector 5 is a photodetector and a transimpedance amplifier with light as input and voltage as output. The output from detector 5 is through amplifier 6 passed, which increases the output signal of the sensor to a detectable level. The total electrical gain in this embodiment is about 1 million. The output of the amplifier is at the demodulator 7 placed. demodulator 7 is a phase sensitive detector that receives a signal from oscillator 8th receives. When the phases and frequencies of the two signals that are in the demodulator 7 occur, are the same, the output is at a maximum, if they are different, the output is reduced. oscillator 8th and PZT phase modulator 9 As will be described in more detail below, the interferometer depth of phase modulation is obtained. LD driver 10 As described in more detail below, is a high pass filter and rectifier that regulates the intensity of the light source current.

Eine weitere Ausführungsform des verbesserten IFOG-Systems der vorliegenden Erfindung wird in 2 gezeigt. Die Lichtquelle 21 sendet Licht aus, das vom Polarisator 22 polarisiert wird. Das Licht wird vom Koppler 23 in zwei einander entgegenlaufende Strahlen mit annäherungsweise gleicher Intensität aufgespalten, die die Messspule 24 durchlaufen und sich dann im Koppler 23 überlagern und interferieren. Der neu überlagerte Lichtstrahl durchläuft dann die Kavität von Quelle 21 und wird von Detektor 25 empfangen. Der Detektor ist ein Photodetektor, der Licht als Eingangssignal empfängt und Strom als Ausgangsignal erzeugt.Another embodiment of the improved IFOG system of the present invention is shown in 2 shown. The light source 21 emits light from the polarizer 22 is polarized. The light is from the coupler 23 split into two opposing beams with approximately the same intensity, the measuring coil 24 go through and then in the coupler 23 overlay and interfere. The newly superimposed light beam then passes through the source cavity 21 and is used by detector 25 receive. The detector is a photodetector that receives light as an input signal and generates electricity as an output signal.

Viele Niedrigpreis-Halbleiter-Lichtquellenbaugruppen enthalten einen Rückflächen-Photodetektor. Folglich wird der Detektor von einem Lichtquellenhersteller bereitgestellt. Durch die Verwendung dieses Ansatzes werden die Kosten für die Beschaffung eines separaten Detektors beseitigt. Der Detektor 25 ist vom Hersteller der Lichtquelle auf die Rückfläche justiert. Wenn die Eingangsanschlussfaser auf die optische Quelle ausgerichtet ist, ist der Ausgang in demselben Arbeitsgang automatisch auf den Detektor ausgerichtet. Dieser Ansatz beseitigt ebenso mehrere Faserspleiße. Die Integration des Polarisators auf diesem Koppler kombiniert mit dem Anschließen (engl.: pigtailing) der Koppler-/Polarisatoreinheit auf der Lichtquelle könnte die Anzahl der optischen Spleiße weiter reduzieren.Many low cost semiconductor light source assemblies include a back surface photodetector. As a result, the detector is provided by a light source manufacturer. Using this approach eliminates the cost of purchasing a separate detector. The detector 25 is adjusted to the back surface by the manufacturer of the light source. When the input port fiber is aligned with the optical source, the output is automatically aligned with the detector in the same operation. This approach also eliminates multiple fiber splices. The integration of the polarizer on this coupler combined with the pigtailing of the coupler / polarizer unit on the light source could further reduce the number of optical splices.

Für die meisten Landnavigationsanwendungen ist der Eingangsbereich der Drehgeschwindigkeit des Fahrzeugs durch die Geschwindigkeit und den Wendekreisradius des Fahrzeugs beschränkt. Zum Beispiel ist für Hochleistungsautos ein maximaler Geschwindigkeitsbereich von +/– 100°/sek. ausreichend. Wegen dieser Begrenzung kann der Sagnac-Skalenfaktor der Messspule so ausgelegt werden, dass dieser maximale Geschwindigkeitsbereich gut innerhalb eines im wesentlichen linearen Bereichs der Ausgangsübertragungsfunktion des Gyroskopes liegt. Die Messspule ist unter Verwendung einer kurzen Faserspule, das auf eine Rolle mit kleinem Durchmesser aufgewickelt ist, aufgebaut. Mit dieser Art von Aufbau kann die Drehgeschwindigkeit direkt von der Amplitude der Grundschwingung oder der ersten harmonischen Schwingung bestimmt werden. Da die Phase und Frequenz der Grundschwingung wohl bekannt sind, ist die effektivste Weise, die Amplitude zu bestimmen, die der synchronen Demodulation.For most land navigation applications is the entrance area of the Speed of rotation of the vehicle by the speed and the The turning radius of the vehicle is limited. For example, is for high performance cars a maximum speed range of +/- 100 ° / sec. sufficient. Because of these The Sagnac scale factor of the measuring coil can limit this be that this maximum speed range is well within a substantially linear range of the output transfer function of the gyroscope. The measuring coil is using a short Fiber spool wound on a small diameter roll is built. With this type of construction, the speed of rotation can be direct on the amplitude of the fundamental or the first harmonic Vibration can be determined. Because the phase and frequency of the fundamental well known is the most effective way to determine the amplitude that of synchronous demodulation.

Das Kreisel-Breitbandsignal wird durch Transimpedanzvorverstärker 26, der den Strom in Spannung umwandelt, und Verstärker 27, der das Spannungssignal auf einen messbaren Pegel verstärkt, geleitet. Dieses Spannungssignal wird dann an einen Tiefpassfilter (low pass filter = LPF) 28 angelegt, dessen Eckfrequenz bei der Grundfrequenz F1 vor dem Prozess der synchronen Demodulation liegt. Der Tiefpassfilter 28 entfernt alle Oberwellen von dem Spannungssignal und lässt nur noch die Grundfrequenz übrig. Das Signal wird dann an den Synchrondemodulator 29 weitergeleitet. Synchrondemodulator 29 erhält als anderes Eingangssignal ein Spannungssignal von einem Colpitts-Oszillator und einem Verstärkerschaltkreis 33. Da der Ausgang von Schaltkreis 33 durch einen Phasenschieber und einen Tiefpassfilter 32 geleitet wird, wird das Signal auf die Grundfrequenz mit derselben Phasenverschiebung gelockt, wie das Signal, das vom Verstärker 27 bereitgestellt wird. Der Ausgang von Demodulator 29 befindet sich in einem Maximum, wenn die Phasen und Frequenzen seiner Eingangssignale gleich sind, und er ist proportional zur Größe des Kreiselausgangssignals bei der Modulationsfrequenz. Dieser Ausgang wird durch Tiefpassfilter 30 geleitet, wo ein Gleichsignal proportional zur Drehgeschwindigkeit erzeugt wird. Zum Schluss verstärkt DC-Verstärker 31 das resultierende Signal. Die Demodulation erzeugt einen linearen Ausgang über einen sehr weiten dynamischen Bereich der Eingangsgeschwindigkeit. Die Auflösung der Drehungsmessung wird bestimmt durch den Rauschfaktor des verwendeten Transimpedanzvorverstärkers 26 und die Bandbreite der Messung.The gyro broadband signal is through transimpedance preamplifier 26 , which converts the current into voltage, and amplifier 27 , which amplifies the voltage signal to a measurable level. This voltage signal is then sent to a low pass filter (LPF) 28 created, whose cut-off frequency is at the basic frequency F1 before the process of synchronous demodulation. The low pass filter 28 removes all harmonics from the voltage signal and leaves only the fundamental frequency. The signal is then sent to the synchronous demodulator 29 forwarded. synchronous 29 receives a voltage signal from a Colpitts oscillator and an amplifier circuit as another input signal 33 , Because the output of circuit 33 through a phase shifter and a low pass filter 32 is routed, the signal is lured to the fundamental frequency with the same phase shift as the signal from the amplifier 27 provided. The output from demodulator 29 is at a maximum when the phases and frequencies of its input signals are equal, and it is proportional to the magnitude of the gyro output signal at the modulation frequency. This output is through low pass filters 30 passed, where a DC signal is generated proportional to the speed of rotation. Finally amplified DC amplifiers 31 the resulting signal. Demodulation produces a linear output over a very wide dynamic range of input speeds. The resolution of the rotation measurement is determined by the noise factor of the transimpedance preamplifier used 26 and the bandwidth of the measurement.

Die Aufrechterhaltung eines konstanten Skalenfaktors während umgebungsbedingter Veränderung erfordert, dass zwei Arbeitspunkte des Kreisels genau eingehalten werden. Zuerst muss der Betrag des Kreiselsignals am Ausgang von Verstärker 27 konstant sein. Um dies zu erreichen, nutzt die Erfindung die Tatsache, dass die Amplitude des zweiten harmonischen Signals F2 für Sensoren mit kurzer Spulenlänge relativ konstant ist über den gesamten Geschwindigkeitsbereich (engl.: rate range). Folglich wird das Breitbandkreiselsignal bei der zweiten harmonischen Frequenz F2 vom Hochpassfilter 35 hochpassgefiltert (HPF), vom Zweiweggleichrichter 36 gleichgerichtet, vom Integrierer 37 integriert und verglichen und vom Quellentreiber 38 an die Quelle 21 angelegt. Das resultierende Gleichsignal wird dazu verwendet, die gemessene optische Leistung an der Quelle 21 durch Erhöhung oder Absenkung des Lichtquellenstromes auf einen konstanten Wert zu regeln und dadurch die optische Leistung zur Verfügung zu stellen. Hochpassfilter 35 kann erforderlich sein, um den Ein fluss des Grundsignals F1 auf den Schaltkreis zur Leistungsnivellierung bei hohen Drehgeschwindigkeiten zu reduzieren.Maintaining a constant scale factor during environmental changes requires that two operating points of the gyroscope are observed exactly. First, the amount of the gyro signal at the output of the amplifier 27 be constant. To achieve this, the invention uses the fact that the amplitude of the second harmonic signal F2 for sensors with a short coil length is relatively constant over the entire speed range. Consequently, the broadband gyro signal at the second harmonic frequency F2 is from the high pass filter 35 high pass filtered (HPF), by the two-way rectifier 36 rectified, by the integrator 37 integrated and compared and from the source driver 38 to the source 21 created. The resulting DC signal is used to measure the optical power at the source 21 to regulate to a constant value by increasing or decreasing the light source current and thereby making the optical power available. High Pass Filter 35 may be required to reduce the influence of the basic signal F1 on the circuit for power leveling at high rotational speeds.

Der zweite wichtige Arbeitspunkt des Kreisels, der eingehalten werden muss, ist die Tiefe der Interferrometerphasenmodulation, die am PZT-Phasenmodulator 34 geregelt wird. Die Tiefe der Phasenmodulation wird von der Amplitude der Sinuswellentreiberspannung, die an den PZT-Phasenmodulator 34 angelegt wird, festgelegt. Jedoch garantiert lediglich eine Ansteuerung mit einer Sinuswelle mit einer festen Frequenz und einer festen Amplitude keine feste Tiefe der Phasenmodulation. Mit der Zeit und den Umgebungsbedingungen driftet die Resonanzfrequenz (Fr) des PZT-Modulators 34. Ebenso schwankt der Skalenfaktor (Qm) der Umwandlung der mechanischen zur optischen Phasenverschiebung. Wie oben erörtert, nutzt die Erfindung den PZT-Phasenmodulator 34 als einen aktiven Teil des Oszillatorschaltkreises, indem der Ausgang des Colpitts-Oszillators und der einstellbare Verstärkungssteuerungsverstärker (adjustable gain control = AGC) 33 an Phasenschieber und Tiefpassfilter 32 (eingestellt auf die erste Grundfrequenz) angelegt wird. Weil der PZT-Modulator 34 Teil des aktiven Rückkopplungsschaltkreises ist, wird jede Änderung in der PZT-Resonanzfrequenz verfolgt. Veränderungen von Qm und Fr verändern ebenso die dynamische Impedanz des PZT, was die Antriebsamplitude beeinflusst. Der Colpitts-Oszillator und der AGC-Verstärker 33 werden dazu verwendet, eine stabile Sinuswellenamplitude zur Ansteuerung bei allen Umgebungsbedingungen zu erhalten, wenngleich andere eigenresonante Oszillatoren ebenfalls verwendet werden könnten.The second important operating point of the gyro that must be observed is the depth of the interferometer phase modulation, which is at the PZT phase modulator 34 is regulated. The depth of the phase modulation is determined by the amplitude of the sine wave driver voltage applied to the PZT phase modulator 34 is created. However, only a control with a sine wave with a fixed frequency and a fixed amplitude does not guarantee a fixed depth of the phase modulation. The resonance frequency (Fr) of the PZT modulator drifts with time and the ambient conditions 34 , The scale factor (Qm) of the conversion of the mechanical to the optical phase shift also fluctuates. As discussed above, the invention uses the PZT phase modulator 34 as an active part of the oscillator circuit by the output of the Colpitts oscillator and the adjustable gain control amplifier (AGC) 33 on phase shifters and low-pass filters 32 (set to the first fundamental frequency). Because the PZT modulator 34 As part of the active feedback circuit, any change in the PZT resonant frequency is tracked. Changes in Qm and Fr also change the dynamic impedance of the PZT, which affects the drive amplitude. The Colpitts oscillator and the AGC amplifier 33 are used to obtain a stable sine wave amplitude for driving in all environmental conditions, although other self-resonant oscillators could also be used.

Dadurch wird ein Kreiselsystem mit vereinfachter Signalverarbeitungselektronik bereitgestellt, bei dem die Amplitude des Kreiselgrundsignals synchron demoduliert wird, um die Drehgeschwindigkeit des Sensors zu bestimmen. Das zweite harmonische Kreiselsignal wird dazu verwendet, die Intensität der Lichtquelle zu regeln. Die Verwendung des Verhältnisses dieser Signale ist nicht erforderlich. Die Tiefe der Phasenmodulation wird durch die Verwendung eines eigenresonanten Oszillatoransatzes mit der PZT als Teil des aktiven elektronischen Schaltkreises erhalten. Diese Anordnung beseitigt unwesentliche optische Komponenten und Spleiße des Systems und erlaubt die Herstellung eines günstigeren Gyroskopes. Die Verwendung des Kreiselinstruments mit reduzierter Minimalkonfiguration mit diesem Ansatz mit vereinfachter Signalverarbeitungselektronik ergibt einen Drehgeschwindigkeitssensor mit sehr attraktivem Preis-Leistungs-Verhältnis zur Verwendung in vielen Anwendungen der Landfahrzeugnavigation, wie zum Beispiel Anwendungen, die die Verwendung von Koppelnavigationssensoren erfordern, die an GPS-Systeme gekoppelt sind. Das IFOG-Signalverarbeitungssystem ist einfach und preiswert herzustellen, bestimmt die Drehgeschwindigkeit der Sensorspule genau und erhält einen konstanten Skalenfaktor während umgebungsbedingter Änderungen.This creates a gyro system with Simplified signal processing electronics provided at which the amplitude of the gyro base signal is synchronously demodulated, to determine the speed of rotation of the sensor. The second Harmonic gyro signal is used to control the intensity of the light source to regulate. The use of the ratio of these signals is not mandatory. The depth of the phase modulation is determined by the Using a self-resonant oscillator approach with the PZT obtained as part of the active electronic circuit. This The arrangement eliminates non-essential optical components and splices of the system and allows the production of a cheaper one Gyroscope. The use of the rotary instrument with reduced Minimal configuration with this approach with simplified signal processing electronics results in a rotational speed sensor with a very attractive price-performance ratio Use in many applications of land vehicle navigation, such as for example applications involving the use of dead reckoning sensors require that are coupled to GPS systems. The IFOG signal processing system is simple and inexpensive to manufacture, determines the speed of rotation the sensor coil exactly and receives a constant scale factor during environmental changes.

In einer alternativen Ausführungsform kann ein IFOG mit Minimalkonfiguration, eher als ein IFOG mit reduzierter Minimalkonfiguration, mit der oben in Bezug auf 2 beschriebenen Signalverarbeitungselektronik verwendet werden. In dieser Ausführungsform ist die Quelle-/Detektoranordnung durch einen Laser und Detektor ersetzt, und ein erster Koppler ist zwischen dem Laser und dem Polarisator eingefügt. Der Betrieb des Restes des Schaltkreises ist wie oben beschrieben. Die Verwendung des Gyroskopes mit Minimalkonfiguration mit diesem Ansatz mit vereinfachter Signalverarbeitungselektronik ergibt einen Drehgeschwindigkeitssensor mit sehr attraktivem Preis-Leistungsverhältnis für die Verwendung in vielen Landfahrzeugnavigationsanwendungen wie zum Beispiel Anwendungen, die die Verwendung von Koppelnavigationssensoren erfordern, die an GPS-Systeme gekoppelt sind. Das IFOG-Signalverarbeitungssystem ist einfach und preiswert herzustellen, bestimmt die Drehgeschwindigkeit der Sensorspule genau und erhält einen konstanten Skalenfaktor während umgebungsbedingter Änderungen.In an alternative embodiment, an IFOG with a minimal configuration, rather than an IFOG with a reduced minimum configuration, with the above in relation to FIG 2 described signal processing electronics can be used. In this embodiment, the source / detector arrangement is replaced by a laser and detector, and a first coupler is inserted between the laser and the polarizer. The operation of the rest of the circuit is as described above. Using the minimal configuration gyroscope with this approach with simplified signal processing electronics results in a rotational speed sensor with a very attractive price / performance ratio for use in many land vehicle navigation applications such as applications that require the use of dead reckoning sensors coupled to GPS systems. The IFOG signal processing system is simple and inexpensive to manufacture, accurately determines the speed of rotation of the sensor coil, and maintains a constant scale factor during environmental changes.

In gegenwärtigen Experimenten wurden zwei Kreiselsysteme konstruiert und getestet. Die erste Einheit war eine standardmäßige Minimalkonfiguration mit offener Rückkopplung für alle Fasern wie in dem vorangehenden Abschnitt beschrieben. Die zweite Einheit war identisch, mit der Ausnahme, dass sie verändert wurde durch die Entfernung des ersten Kopplers und durch die Erfassung des Kreiselsignals von der Rückflächendiode des Lasers wie oben in Verbindung mit 2 beschrieben. Alle optischen Komponenten wurden hergestellt unter Verwendung der Andrew Ecore^® polarisationserhaltenden (PM) Faser. Die verwendete Länge der Sagnac-Spule war 75 Meter mit einem nominalen Durchmesser von 65 Millimetern. Der Modulator wurde dadurch hergestellt, dass ein piezoelektrischer Übertrager (PZT) mit Faser umwickelt wurde. Es wurde eine Standard-Kompaktdisk-Laserdioden-Lichtquelle verwendet. Der optische Schaltkreis wurde integriert mit einer analogen Demodulatorelektronikbaugruppe in einer Einheit mit einem rechteckigen Formfaktor (4,25 × 3,25 × 1,5 Inch, etwa 108 × 83 × 38 mm), die 0,55 Pfund (etwa 0,25 kg) wog. Die Einheit arbeitete bei einer nicht aufbereiteten Spannung von +12 V Gleichspannung, so wie sie in einem Automobil verendet wird, und der Ausgang war eine differentielle Analogspannung. Eine gesamte Leistungsaufnahme von 2 Watt war typisch für das fertige Gyroskop mit Elektronik.In current experiments, two gyro systems have been designed and tested. The first unit was a standard, minimal, open feedback configuration for all fibers as described in the previous section. The second unit was identical, except that it was changed by removing the first coupler and by detecting the gyro signal from the back surface diode of the laser as above in connection with 2 described. All optical components were made using Andrew Ecore ^® polarization maintaining (PM) fiber. The length of the Sagnac coil used was 75 meters with a nominal diameter of 65 millimeters. The modulator was made by wrapping a piezoelectric transducer (PZT) with fiber. A standard compact disc laser diode light source was used. The optical circuit was integrated with an analog demodulator electronics package in a unit with a rectangular form factor (4.25 x 3.25 x 1.5 inches, about 108 x 83 x 38 mm) that weighed 0.55 pounds (about 0.25 kg ) weighed. The unit was operating at an unprepared +12 VDC voltage, as used in an automobile, and the output was a differential analog voltage. A total power consumption of 2 watts was typical for the finished gyroscope with electronics.

Beide Kreiselkonfigurationen durchliefen mehrere Tests, um die Hauptleistungsparameter zu messen. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse verglichen mit einem kommerziell verfügbaren Bauteil, dem Andrew AUTOGYRO^® Navigator, ist in Tabelle 1 gezeigt. Die 3a und 4a vergleichen die mit der Allan Varianzanalyse bestimmte Winkelzufallsbewegung (ARW) und die Stabilität der Nullpunktverschiebung der Kreisel mit minimaler Konfiguration gegen die der Kreisel mit reduzierter Minimalkonfiguration. Beide Kreisel hatten ARW Werte von näherungsweise 20°/h/√Hz und Grenzen der Nullpunktsverschiebungsstabilität von 1°/h/√Hz nach einer Laufzeit von 12 Minuten. 3b und 4b vergleichen die Nullpunktverschie bung der Temperaturempfindlichkeit. Ein Temperaturbereich von –40 bis +75°C wurde für diesen Test verwendet. Der herkömmliche Kreisel mit Minimalkonfiguration übertraf den Kreisel mit reduzierter Minimalkonfiguration um einen Faktor von 2 zu 1. Dies liegt jedoch hauptsächlich an den Unterschieden in der Temperaturempfindlichkeit der analogen Demodulationselektronik. Die Temperaturempfindlichkeit der Nullpunktverschiebung für die Minimalkonfiguration wurde bei 0,03°/s oder 108°/h als Standardabweichung gemessen. Die reduzierte Konfiguration erbrachte 0,07°/s oder 252°/h. Die Nichtlinearität des Skalenfaktors war, wie in Tabelle 1 gezeigt, ähnlich. Für den typischen Fahrzeugdrehgeschwindigkeitsbereich von +/– 50°/s wurde ein Pegel von 0,2% RMS erhalten.Both gyro configurations went through several tests to measure the main performance parameters. A summary of the results compared to a commercially available component, the Andrew AUTOGYRO ^® Navigator, is shown in Table 1. The 3a and 4a compare the angular random movement (ARW) determined with the Allan analysis of variance and the stability of the zero point shift of the gyroscope with minimal configuration against that of the gyroscope with reduced minimum configuration. Both gyroscopes had ARW values of approximately 20 ° / h / √Hz and limits of zero shift stability of 1 ° / h / √Hz after a running time of 12 minutes. 3b and 4b compare the zero shift in temperature sensitivity. A temperature range of -40 to + 75 ° C was used for this test. The conventional gyro with minimal configuration outperformed the gyro with reduced minimal configuration by a factor of 2 to 1. This is mainly due to the differences in temperature sensitivity of the analog demodulation electronics. The temperature sensitivity of the zero point shift for the minimum configuration was measured at 0.03 ° / s or 108 ° / h as the standard deviation. The reduced configuration resulted in 0.07 ° / s or 252 ° / h. The scale factor non-linearity was similar as shown in Table 1. A level of 0.2% RMS was obtained for the typical vehicle rotational speed range of +/- 50 ° / s.

Claims

An interferometric optical fiber gyroscope system (IFOG system), which has: a sensor optical fiber turn ( 4 ; 24 ); a semiconductor light source ( 1 ; 21 ) that emits light with an associated light source intensity, the source having a front surface exit and a rear surface exit; an optocoupler ( 3 ; 23 ), which is coupled to the front surface output to receive light from the light source ( 1 ; 21 ) with the coupler ( 3 ; 23 ) two light beams with essentially the same intensity for simultaneous transmission to the sensor winding ( 4 . 24 ) generated; the sensor optical fiber turn ( 4 ; 24 ) light returned from the light beams of the same intensity to the coupler ( 3 ; 23 ) and the coupler ( 3 . 23 ) the returned light combines into a combined light beam and interferes; an optical phase modulator ( 9 ; 34 ) to the swirl ( 4 ; 24 ) is coupled and has a phase modulation amplitude; an oscillator ( 8th ; 33 ) connected to the modulator ( 9 ; 34 ) is coupled and generates a periodic voltage that controls the phase modulation amplitude; Light detection means ( 5 ; 25 ) connected to the light source ( 1 ; 21 ) are coupled at the rear surface output, around which the light source ( 1 ; 21 ) detect transmitted combined light beam and convert the combined light beam into an electrical signal; an amplifier ( 6 ; 27 ) which receives the electrical signal and which divides the electrical signal into an oscillator frequency signal and a second harmonic signal (F2); and electrical signal processing means ( 7 ; 28 . 29 . 30 . 31 ) connected to the amplifier ( 6 ; 27 ) are coupled for processing the oscillator frequency voltage and providing an output signal which is proportional to the angular rotation speed input signal of the sensor winding ( 4 ; 24 ), characterized in that the light source intensity is controlled by the second harmonic signal (F2), so as to maintain a constant detected optical power of the light that the gyroscope sensor area ( 4 ; 24 ) happened.

IFOG system according to claim 1, characterized in that the optical phase modulator ( 9 ; 34 ) a piezoelectric transducer as an active part of the oscillator ( 8th ; 33 ) and that the fundamental frequency of the resonance frequency of the optical phase modulator ( 9 ; 34 ) follows.

IFOG system according to claim 1, characterized in that the oscillator is a self-resonant oscillator ( 8th ; 33 ) with an automatic gain control (AGC) that is adapted to maintain a stable modulator driver amplitude.

IFOG system according to claim 1, characterized in that the self-resonant oscillator ( 33 ) is a Colpitts oscillator.